窄带热辐射的逆向设计

论文信息：

Haonan Pan，Chunhui Ou，Shuai Yang，Jian Wang，Yi Luo，Inverse design of narrowband thermal emitter with tandem films structures using simulated annealing algorithm，Optics Express，Vol.32,No.26,47154-47162(2024).

论文链接： https://doi.org/10.1364/OE.545445

研究背景

大气对电磁辐射的吸收主要集中在中红 外 ( MIR ) 和长波红外 ( LWIR ) 光谱波段。中红外波发射器广泛应用于气体检测、生物目标识别、制冷和伪装。 根据普朗克黑体辐射定律，大多数自然物体发出的热辐射集中在中长红外线 ( 3-15μm ) 范围 , 表现为宽带特性。例如，电阻加热金属线等常见热辐射源表现出从远红外到可见光的广泛光谱覆盖范围，这使得它们在需要窄带红外辐射的情况下受到高度限制，这一特性为在红外光谱中有效利用这些电磁波带来了许多挑战。因此，为了获得高效的窄带中红外发射器，探索和开发新型材料、器件结构和调制技术至关重要。

研究内容

作者利用 SA 算法，采用反向迭代过程设计相关结构参数，得到最优构型。在 MATLAB 中实现 SA 以实现整体平面多层结构的逆向设计。在这项工作中使用 SA 算法的逆向设计过程示意图如图1所示。 设计的发射极由 Au 衬底和 SIO2和Ge薄膜组成。使用 SA 的逆向设计过程可以描述如下：首先，通过分析结构组成材料的复折射率，为发射器中每个薄膜的厚度、峰值吸收率和高Q的发射器通过传递矩阵法 (TMM)计算，并形成目标函数F。然后，从薄膜厚度的初始解决方案开始，设置阈值并执行随机迭代调整。从第一次迭代 (U1)设置为初始最佳解决方案 (Ubest)，然后将其包含在集合S中.如果第 i 个解的适合度优于Ubest则其作为当前最佳解决方案.此过程会不断迭代，直到找到解决方案满足阈值或迭代次数达到上限，此时停止迭代。迭代过程的主要参数设置如下：初始温度为 100°C、温度衰减系数为 0.95，并且每个温度 1000 次迭代。在这项工作中，最优的参数已成功获取。最后，输出目标函数的最佳值以及发射器中每层的相应厚度。

图1.窄带热辐射体的 SA 逆向设计过程示意图。

归一化目标函数的轨迹图如图2(a)所示，仅通过计算评估 9.1%%在候选解决方案群体中，成功找出一个高度合适的窄带热发射器，其目标函数值达到约 99.03%%的最优值。此时，发射器可以达到高Q系数为175。对应于最佳目标函数的模拟吸收光谱如图2(b)。可以观察到，峰值吸收率在5.32um处为 0.8261。同时，其他波长的吸收率极低，几乎可以忽略不计，这表明它有效地满足了窄带发射的要求，即窄带辐射。与目标函数的最优解相对应的优化发射器模型如图2(c)所示。该模型的非周期性更为明显，其光腔层明显更厚。这种增加的厚度增强了在实际生产中应用该模型的实用性。

图 2. (a)跟踪目标函数与迭代的关系;(b)全局最优结构的光谱响应高Q系数：175，峰值发射率：0.8261，位于 5.34um(c)最佳结构示意图。

此外，还模拟了发射器的角度属性。仿真表明，我们的结构在小角度下被证明具有良好的性能，并且随着角度的增加，峰分为两个分支，如图3(a)。更多的模拟表明，它是由 TE/TM 模式引起的，该模式表现出与入射角不同的传输行为。TE/TM 分支保持高位Q改变角度的增加，如图3(b)所示。

图 3. (a)发射率随入射角的变化;(b)Q系数在不同角度的变化

为了验证逆向设计后模型的准确性并阐明其窄带吸收背后的潜在物理机制，采用 FDTD 算法求解了结构内的电场分布。在峰值波长处比较了窄带热发射器的时间平均功耗密度，如图4从谐振色散和模态色散的相似性可以推断出λm是平面堆叠结构和型腔之间一阶耦合的结果。除了结构内典型的驻波外，腔内还存在明显的驻波模式，有效地捕获能量并导致最高的吸收率λm.结果表明，大部分入射光能被底部的金膜层耗散，反映了该金层作为腔镜的卓越性能，以及其作为发射器的卓越能力。该模型的机理模式与Tamm 发射器非常相似，因此可以将其视为准 Tamm 发射器。

图 4. (a) 模拟的归一化电场强度和 (b) 时间平均功率耗散密度 λm=5.34 um

结论与展望

综上所述，提出了一种高Q因子和峰吸收率。更具体地说，一个具有175的Q因子的准Tamm发射器在5.34微米处被反向设计，其简化的结构大大增强了实际实施的可行性。然后，在物理构造中，通过改变材料验证了逆向设计方法的普遍性，证明可以通过调整电光材料来实现可调谐发射器，它可以应用于从中红外 (MIR)到近红外(NIR)及更远的宽光谱。这种方法是各种领域的候选解决方案，包括热管理、隐身、成像、传感，并为该领域的进一步研究铺平了道路。

热辐射与微纳光子学